柔性鸭嘴阀压电泵的设计与试验

吴文东,张文斌,陈永华,酒晨霄,田 磊,周鋆宽

(1.昆明理工大学 机电工程学院,云南 昆明650000;2.中国航空工业集团公司 西安飞行自动控制研究所,陕西 西安 710000)

0 引言

压电泵是利用压电陶瓷的逆压电效应将电能转换为机械能的一种新型泵,它通过控制压电陶瓷振子和阀体结构实现了单向输送。其具有结构简单,体积小,无电磁干扰,耗能低,且可以通过调节工作电压和频率实现流量的精密控制等优点,被广泛应用于药物输送[1-2]、燃料电池[3]和电子冷却[4]。根据泵体内部有无阀体,压电泵可分为有阀泵和无阀泵[5]。无阀压电泵利用流动阻力差来泵送流体,因此其整流能力低,导致流量和压力较低。相比之下,带止回阀的压电泵在流速和输出压力方面表现出更好的性能,这将成为今后研究的重点[6]。

Zhang等[7]提出了一种带多个伞状被动止回阀的压电薄膜泵,在驱动电压为150 V、360 Hz下获得最大输出流速为165.2 mL/min,最大输出压力为3.56 kPa,但伞阀需预埋在阀座的中心固定孔内,这需要较大的安装空间。文献[8]提出了一种悬臂阀压电泵,在驱动电压为100 V、130 Hz下得到最大输出流量为27.9 mL/min,但其截止性能差,开孔面积小,在大流量下流动阻力较大。Ma等[9]设计了一种新型的压电驱动泵,其主要特点是在低频范围内能够输出较高流量,在实验过程中测得最大流速达到196 mL/min,但几乎无输出压力。Chen等[10]提出了一种采用柔性阀的低频驱动压电泵,它通过调节驱动电压或驱动频率来实现精确的流量控制。在没有外部负载的情况下最大流量为18.1 mL/min,但输出压力有限。Yang等[11]提出了一种微型泵,其最大流速和输出压力分别为4.5 mL/min和52 kPa,该泵能够输出较大压力,但存在流量小的问题。

为了同时提高压电泵的输出流量和输出压力,本文设计了一种以压电陶瓷为动力源的柔性鸭嘴阀压电泵。首先对该泵的结构及工作原理进行分析,其次给出了该泵的输出流量和输出压力的理论公式,最后加工了该压电泵的实验样机,并进行了输出流量及输出压力的特性试验,验证了设计方案的可行性。

1 泵的结构及工作原理

柔性鸭嘴阀压电泵结构如图1所示,主要由泵底座、止回阀、压电陶瓷振子、泵室、“O”型圈、泵盖和螺丝组成。压电陶瓷振子由压电陶瓷和铜基片组成,泵室内的止回阀圆面对应的流管是泵的入口,鸭嘴面对应的流管是泵的出口,从入口到出口的流动方向定义为正流动。柔性鸭嘴阀采用硅橡胶材料制成,在泵腔内部无压力的情况下,鸭嘴阀出口在本身弹性作用下合拢,当泵腔内部压力产生变化时,鸭嘴阀出口在压力的作用下打开。因此,鸭嘴阀能够根据泵腔内部的压力变化自行打开关闭。

图1 柔性鸭嘴阀压电泵结构爆炸图

随着压电陶瓷振子在交流电压的激励下发生振动,泵腔容积发生变化,容积的变化进一步引起腔内压力的变化[12]。压力的变化驱动止回阀的运动和液体的流动。柔性鸭嘴阀压电泵的工作过程主要包括泵入阶段和泵出阶段,当压电陶瓷振子向上运动时(见图2(a)),泵腔内容积变大,泵腔内部压力降低,使入口止回阀打开,出口止回阀关闭,流体被外部压力推入泵腔,导致泵腔出现向内吸的现象。当压电陶瓷振子向下运动时(见图2(b)),泵腔内容积变小,泵腔内部压力增大,使入口止回阀关闭,出口止回阀打开,流体被推出泵腔,导致泵腔出现向外推的现象。由于鸭嘴阀使用高弹性材料以及特殊的结构制成,阀门开启时需要的压力很小,故流体的压力损失较小。

图2 柔性鸭嘴阀压电泵工作原理图

2 理论分析

压电陶瓷振子在交流电压的作用下会振动产生位移,其变形曲面可近似简化成一个椭球面[13],图3为位移形变示意图。当压电陶瓷振子工作在弯曲振动模式时,腔内的压力液体交替开启和关闭阀门,故而液体连续从进口流向出口。其振幅和压力[14]分别为

(1)

图3 压电陶瓷振子位移形变图

(2)

式中:d,t分别为压电陶瓷振子的直径和厚度;d31,g31为压电常数;E为压电陶瓷的弹性模量;U为驱动电压。

当压电陶瓷振子的工作频率远低于其自身固有频率时,泵腔内体积变化可表示[15]为

(3)

则压电泵的理论流量[15]为

(4)

式中f为驱动电信号频率。

式(3)、(4)仅表示了压电泵的理论流量,未考虑阀门的止回效率。引入阀门的止回效率,则压电泵的输出流量和压力为

(5)

(6)

式中η为止回阀的止回效率。

由式(5)、(6)可知,当压电陶瓷振子的几何参数、止回效率η、驱动电信号频率f确定时,驱动电压U与输出流量Qv、输出压力pv成正比,因此,通过增加驱动电压可以提高泵的输出流量和输出压力。

3 压电泵实验与分析

为了测试柔性鸭嘴阀压电泵的输出性能,使用光固化3D打印机制作外形尺寸为50 mm×45 mm×9 mm的柔性鸭嘴阀压电泵的实验样机(见图4),并分别进行流量和压力差试验。柔性鸭嘴阀的材料性能参数如表1所示,结构参数如图5所示,样机泵的详细参数如表2所示。

表1 鸭嘴阀材料性能参数

表2 样机泵参数

图4 压电泵样机

图5 柔性鸭嘴阀结构参数

图6为柔性鸭嘴阀压电泵的泵流量试验照片。使用的交流电源型号为深圳市新玛科技有限公司生产的IT7624型,输出频率为10～5 000 Hz,输出电压可达300 V。示波器型号为鼎阳SIGLENT SDS2502XPlus,电子秤的测量精度为0.01 g,工作流体为去离子水。测试时对压电振子分别施加3个有效值为150 V、180 V、220 V的正弦波电信号,测量在不同驱动频率下压电泵的输出流量。通过将液体泵入烧杯中,用电子秤量取烧杯中单位时间内的流体质量,可直接计算其单位时间的输出流量。

图6 泵流量试验照片

图7为柔性鸭嘴阀压电泵压力差试验照片,其与流量测试装置的不同之处在于出水管垂直于实验平面。实验时用钢直尺测量在不同驱动频率下的水柱差h,并计算其压力差。

图7 泵压力差试验照片

实验过程中对压电陶瓷振子施加不同电压和频率的正弦波电信号,得到压电泵频率与流量的关系如图8所示。由图可见,随着压电振子驱动电压的增加,流量逐渐增加,驱动频率为10～20 Hz,泵的输出最佳频率为16 Hz,在电压220 V下,流量最大为26.25 mL/min。当驱动频率为20～60 Hz时,泵在48～55 Hz下的输出性能变化相对较好,输出最佳频率为55 Hz,在驱动电压220 V下,最大流量为39 mL/min。

图8 压电泵频率与流量曲线图

图9为压电泵驱动频率与压力差的关系。由图可见,随着电压的增大,泵的进出口压力差也在增大。当电压为150 V时,最佳频率为48 Hz,最大压力差为10.9 kPa。驱动电压在180 V、220 V时,最佳频率为45 Hz。低于45 Hz,随着频率增加,进出口压差呈上升趋势;高于45 Hz,随着频率的增加,进出口压差呈下降趋势。在驱动电压为220 V,频率为45 Hz时,泵的最大压力差为15.5 kPa。该试验验证了柔性鸭嘴阀压电泵的有效性,具有良好的泵送流体功能。

图9 压电泵频率与压力差曲线图

4 结束语

本文提出了一种柔性鸭嘴阀压电泵,结合3D打印技术设计并制作了压电泵样机;理论分析了压电陶瓷振子的振动特性,并推导出该泵的流量和压力表达公式。对该泵进行流量和压差的测量试验,结果表明,在220 V、55 Hz正弦交流电驱动下,该压电泵的最大流量为39 mL/min;在220 V、45 Hz正弦交流电驱动下,该压电泵进出口压差最大可达15.5 kPa。经验证,该泵具有良好的输送流体的能力。